磁懸浮離心式鼓風機的諧波測試與治理

孟凡菲 芮彬

摘要：簡要介紹了磁懸浮離心式鼓風機諧波產生的原因及諧波危害，闡述了無源諧波濾波器及有源諧波濾波器的工作原理，并通過舉例說明了增加諧波濾波器治理磁懸浮離心式鼓風機諧波污染的效果。

關鍵詞：磁懸浮離心式鼓風機;諧波;諧波濾波器

1 概述

磁懸浮離心式鼓風機是將磁軸承技術和高速永磁同步電機技術融入傳統風機中所形成的一種高效節能環保的新型鼓風機。磁懸浮離心式鼓風機包括高速永磁同步電機、磁軸承、專用高速變頻器、磁軸承控制器、葉輪、蝸殼、放空閥及其他輔助器件。其中，專用高速變頻器以及磁軸承控制器的執行部件是二極管整流橋、IGBT、MOSFET等半導體非線性器件。這些半導體非線性器件的使用會產生大量高低次諧波，尤其是使用二極管開關器件進行的6脈波整流所造成的諧波對電網造成了嚴重污染[1]。因為6脈波整流技術成熟，成本低，便于實現，所以大多數變頻器采用此種技術。

諧波會產生以下不良影響：（1）導致線路中變壓器及電纜過熱，加速絕緣老化，壽命縮短;（2）影響電子電氣設備正常運行，比如諧波使電子顯示器和照明設備出現閃爍，使繼電保護裝置出現誤動作，使測量計量設備產生誤差或誤讀數;（3）可能引起系統諧振，造成三相電流不平衡，導致設備停機或損壞。諧波治理最基本的方法有兩個：（1）裝設諧波濾波器補償濾波，這對各種諧波源均適用;（2）對諧波源進行改進，使其不產生諧波，這種方法只適用于諧波源是電力電子換流裝置（比如變頻器）的場合，這種方法對諧波源改動較大，成本較高[2]。本文從裝設諧波濾波器角度，闡述了無源諧波濾波器及有源諧波濾波器的原理，并通過舉例說明增加諧波濾波器治理磁懸浮離心式鼓風機諧波污染的效果。

2 磁懸浮離心式鼓風機的諧波測試與治理

本文以150 kW磁懸浮離心式鼓風機為被測對象，分別對其本身及加裝的諧波濾波器進行諧波測試，測試儀器為示波器和電能質量分析儀。

2.1 ? ?150 kW磁懸浮離心式鼓風機額定工況諧波測試

磁懸浮離心式鼓風機運行工況：電流205 A左右，轉速22 000 r/min左右，測試結果如圖1、圖2所示。

從圖1可以看出，該磁懸浮離心式鼓風機的電壓總諧波畸變率THDu為3.9%，電流總諧波畸變率THDi為31.3%，諧波分量主要為5次諧波和少量7次、11次諧波。

從圖2可以看出，電流波形發生嚴重畸變。按照國家標準《電能質量公用電網諧波》（GB/T 14549—93）的規定，標稱電壓為380 V電壓的公用電網，THDu不能超過5%[3]，這是對大公用電網而言的。對于有變壓器分支的廠區供電，一般要求THDu<3%，THDi<10%，有些場合（變壓器分支容量較小場合）甚至要求THDu<2%，THDi<5%。顯然，對于有變壓器分支的廠區供電而言，該磁懸浮離心式鼓風機的THDu及THDi都超標了。

2.2 ? ?無源諧波濾波器及有源諧波濾波器

無源諧波濾波器主要采用電抗器和電容器組成LC回路，串聯于系統中。LC回路諧振頻率的設定，只能針對于某一次諧波，即針對某一個頻率為低阻抗，使得該頻率流經為其設定的LC回路，達到濾除某一頻率諧波的目的。但是如果LC諧振頻率設定不好，會與系統產生諧振，進而放大諧波，造成不良后果。無源諧波濾波器結構簡單，成本低，但不能將諧波完全濾除干凈。需要注意的是，無源諧波濾波器是串聯于系統中的，其功率需與磁懸浮離心式鼓風機的功率相匹配。無源諧波濾波器一般由進線電抗器、濾波電抗器和出線電抗器組成。進線電抗器用以隔離系統中其他諧波源的高次諧波，濾波支路用以分流所配套負載所產生的5次、7次及高次諧波，出線電抗器用以改變負載整流電源的伏安特性。

有源諧波濾波器是一種用于動態濾除諧波、改善電能質量的新型諧波濾波裝置，能對各次諧波進行實時濾除和無功補償。有源諧波濾波器能克服無源濾波器諧波抑制的缺點（無源諧波濾波器只能補償某次諧波，并且有諧波放大的風險），實現了動態跟蹤補償，可以既濾除諧波又補償無功。

有源諧波濾波器通過電流傳感器，實時采集負載電流，經過電流調理電路送到內部控制芯片進行AD轉換，進而計算出負載電流的諧波成分，然后控制芯片輸出PWM信號給執行器件IGBT，控制其產生一個與負載諧波大小相等、方向相反的電流注入到電網中補償諧波電流，實現諧波濾波功能。有源諧波濾波器濾波性能不受系統參數變化的影響，可以濾除各次諧波，在其額定功率范圍內，原則上能將諧波全部濾除干凈，但是其原理相對復雜，又用到IGBT等電力電子器件，成本較高。因有源諧波濾波器是并聯于系統中，所以在選擇時其功率無需與磁懸浮離心式鼓風機的功率相匹配，而是與總諧波電流相匹配，這樣可以節省有源諧波濾波器的成本。

2.3 ? ?加裝諧波濾波器進行磁懸浮離心式鼓風機諧波治理測試

本文以加裝無源諧波濾波器為例，說明諧波治理效果（有源諧波濾波器的諧波治理效果理論上更好），諧波測試結果如圖3、圖4所示。

從圖3可以看出，加裝無源諧波濾波器后，該磁懸浮離心式鼓風機的THDu為1.5%，THDi為3.8%，THDu及THDi都明顯下降并符合電網及廠區要求。

從圖4可以看出，電流波形接近正弦波。150 kW磁懸浮離心式鼓風機加裝無源諧波濾波器前后對比結果如表1所示。

3 結語

磁懸浮離心式鼓風機作為近年來的新型鼓風機，因具有結構簡單、高效智能、安裝及操作維護簡單、噪聲低、運行費用低等顯著優點，在污水處理、物料輸送、煙氣脫硫等行業領域得到了廣泛應用。但是磁懸浮離心式鼓風機的工作方式所產生的諧波污染是個不可忽視的問題，為了使磁懸浮離心式鼓風機得到更廣泛的應用，需對磁懸浮鼓風機的應用現場進行諧波測試，了解其系統諧波總量及各次諧波分量，以便確定諧波濾波器的種類及性能參數，以最小的成本達到較好的諧波治理效果。

[參考文獻]

[1] 龐忠浩.大功率變頻器諧波抑制技術的研究[D].濟南：山東大學，2016.

[2] 朱壁學.變頻器產生高次諧波的抑制方法研究[D].廣州：華南理工大學，2011.

[3] 電能質量公用電網諧波：GB/T 14549—93[S].

收稿日期：2020-02-05

作者簡介：孟凡菲（1985—），女，江蘇連云港人，碩士，工程師，從事磁懸浮離心式鼓風機電控系統設計開發工作。